计算电场强度通量超简单，教你快速搞定！

近年来，电催化膜在水污染治理方面展现出了其高效性能，但其在应用上仍存在诸多限制，尤其在膜材料电催化性能方面还存在一定不足。为了提升电催化活性，科学家们普遍认为需要减小催化剂的尺寸，理想状态是将其控制在纳米级别甚至单原子尺度。在这样的尺度下，催化剂在水流环境中面临着结构脆弱和附着性差等问题，这无疑增加了其制备的难度和成本。当前，如何将单原子或亚纳米级催化剂高效、稳定地固定在导电骨架上，并构建出具有高性能的三维一体化电催化膜，成为了这一领域的重要挑战之一。

最近，清华大学环境学院的黄霞课题组与北京林业大学、麻省理工学院、宾夕法尼亚州立大学等机构展开合作，通过采用一种创新的电场限域电纺-电喷（DESP）策略，成功制备出了单原子钛及亚3纳米碳氧化钛高度分散在碳纳米纤维网络中的三维自支撑电催化膜（如图1所示）。

图1展示了制备这种高效电催化膜的策略及效果。这种电催化膜具有超高的电化学活性表面积，达到了惊人的1840/，同时展现出优异的机械稳定性。即使在高通量（8370 L）和短停留时间（1.25s）的条件下，其污染物去除率也能高达99%以上，同时水处理单位能耗极低，仅为0.022。在反应动力学、能耗、过滤通量、污染物去除量等多个方面，该膜都表现出了超越已有研究的能效表现。

进一步的研究表明，该膜结构实现了电催化位点的高密度分布和电子的快速传输。单原子Ti与亚纳米簇通过DESP策略及后续热处理过程与碳纳米纤维牢固融合，形成了共价连接，这显著提升了电催化活性和结构稳定性。该团队已经在实验室阶段成功制备出了30cm10cm的膜样品，这为其放大生产和制备其他元素单原子催化膜提供了可能性。

这种电催化降解污染物的机制结合了短程直接电子转移氧化和长程单线态氧等活性氧物种的间接氧化，实现了对水中各类有机污染物的高效降解。研究团队通过多物理场耦合仿真计算揭示了亚3纳米簇的引入如何有效促进催化活性中心的转移，从而强化了膜过滤中的传质效果。

这项研究不仅为电催化膜在高效低耗水处理领域的应用提供了新的范例，也展示了在可扩展、低成本条件下构建高性能三维多功能单原子电极材料的可行性。相关研究成果以“电场限域制备单原子电催化膜”为题，于4月18日在线发表于《科学进展》。这是黄霞团队在电催化膜领域取得的又一重要进展。

该论文的第一作者是清华大学环境学院的博士毕业生高一凡，现在担任麻省理工学院的博士后。论文的共同通讯作者包括清华大学环境学院的黄霞教授、北京林业大学的梁帅教授以及麻省理工学院的李巨教授。环境学院的梁鹏教授、副教授张潇源、博士生蒋成旭和本科毕业生张泉飚等也参与了这项研究。该研究得到了自然科学重大项目和自然科学面上项目的资助。更多信息可访问论文链接：[/10.1126/sciadv.ads7154](/10.1126/sciadv%2eads7154)。